增材制造材料铣削加工特性和表面完整性研究进展综述

激光熔覆等增材制造技术目前已被广泛应用,然而这类技术获得的熔覆层表面质量较差,难以满足零件的尺寸精度和表面质量等要求,铣削加工作为一种精加工方式可以有效地解决精度不足等问题。文章综述了不同铣削参数、切削方向、增材制造材料的处理方式、熔覆层的构筑方向等影响因素对加工特性和表面完整性的影响,加工特性通过切削力和刀具磨损表征,而表面完整性主要包括表面形貌(表面粗糙度、表面纹缺陷、毛刺形成等)和力学性能(残余应力和显微硬度),通过对不同影响因素下的熔覆层加工特性和表面完整性评价,使研究人员对增材制造材料的铣削性能具有更全面的了解,最后对增材制造材料铣削过程中存在的问题归纳梳理,并对其未来的发展方向进行了展望。

工艺参数对短电弧-电化学复合加工表面质量的影响研究

针对传统短电弧铣削加工后表面存在热损伤层问题,在钛合金TC4上进行了短电弧-电化学复合加工试验研究,分析了短电弧-电化学复合加工的材料去除机制,并通过理论模型分析了影响复合加工快慢及表面质量的关键影响参数,即加工电压、工作介质电阻率和进给速度。通过单因素试验研究了关键参数对短电弧-电化学复合加工表面质量的影响。试验结果表明,利用短电弧-电化学复合加工底面间隙电化学效应可以很好地去除短电弧加工后表面热损伤层。在进给速度为4 mm/min时可以实现无热损伤层加工,加工效率为354 mm^(3)/min,加工表面粗糙度Sa为17.982μm。

CVD金刚石纳秒激光烧蚀机理及抛光试验研究(内封面文章·特邀)

通过有限元仿真研究了激光入射角度对纳秒激光烧蚀CVD金刚石的表面创成过程影响,并结合纳秒激光烧蚀CVD金刚石的试验,探究了激光功率、激光入射倾角与光斑重叠率等参数对CVD金刚石表面形貌及表面粗糙度的影响,分析了表面损伤的形成机理。在一定激光功率下,激光入射倾角增大会明显减轻加工表面的陷光效应,从而获得更加均匀的表面形貌。激光烧蚀CVD金刚石表面以沟槽、裂纹等为主要表面损伤特征,通过优化激光加工参数抑制了材料的表面损伤,降低了材料的表面粗糙度数值,实现了基于纳秒激光入射角度和扫描轨迹控制的CVD金刚石均匀抛光去除。

切向车铣18CrNiMo7-6钢V形缺口表面三维形貌研究

疲劳试样的缺口加工一直是一个亟需解决的难题。提出一种全新的切向车铣加工缺口工艺,通过理论与试验结合的方法探究了切向车铣对V形缺口表面形貌的影响规律。结果表明:在不同的工艺参数下,切向车铣V形缺口底部会呈现出不同的加工纹理方向,提出的理论公式计算出的纹理方向与工件轴线的夹角与实际结果误差很小;缺口底部三维表面粗糙度R_(a)随着铣刀转速n_(c)的升高而减小,随着工件转速n_(w)的升高而变大,随着每齿进给量f_(z)的增加先减小后增大;得到表面粗糙度最优参数组合为n_(c)=6000 r/min,n_(w)=100 r/min,f_(z)=0.0375μm,在此切削参数组合下得到的V形缺口表面粗糙度R_(a)可达到0.075μm。

易切削钢Te元素含量对其切削表面形貌的影响研究

采用硬质合金刀具对三种不同Te元素含量的易切削钢12L14,12L14+Te(0.017),12L14+Te(0.05)进行切削实验,研究其已加工表面形貌状态及原因。试验研究结果表明:12L14+Te(0.017)材料的已加工表面最光滑,粗糙度值最小;12L14+Te(0.05)材料的已加工表面最粗糙,微观形貌显示存在较多撕裂;切削不含Te元素的12L14材料时,已加工表面形貌与粗糙度值介于二者之间;添加Te元素材料会生成MnTe等熔点较低的化合物,在切削中起到应力集中源的作用,易导致已加工表面出现微观撕裂现象,但同时减小了刀具积屑瘤形成的可能,所以易切削钢切削表面形貌的生成是二者因素综合影响的结果。

基于SSA和双稳随机共振的车削颤振微弱特征提取

围绕车削颤振激发过程,针对车削颤振过渡阶段特征微弱且存在噪声和转频干扰的问题,提出一种基于麻雀优化算法(sparrow search algorithm, SSA)和双稳随机共振(bistable stochastic resonance, BSR)系统的车削颤振微弱特征提取方法。该方法利用SSA优良的寻优特性,以信噪比作为优化指标确定最佳BSR系统参数,用优化后的参数对车削颤振信号进行滤波处理,提取颤振特征频率。仿真试验表明SSA-BSR方法可以实现对强噪声背景下微弱特征信号的提取与增强,同时兼顾寻优速度快和获得全局最优解概率高的优点。开展车削颤振检测试验,颤振激发过程的加速度信号图谱分析结果验证了车削颤振特征频率幅值与颤振激发程度之间的相关性;不同模型在车削颤振过渡阶段特征提取的对比结果验证了SSA-BSR模型的有效性和优越性,并且能够满足车削颤振检测对实时性的要求,实现在进入剧烈颤振阶段前发出预警,为量化车削颤振和车削颤振在线监测提供一种新思路。

微生物去除加工晶体铜的表面质量实验研究

通过跟踪微生物去除加工两类不同晶粒尺寸纯铜的表面粗糙度和表面形貌的变化规律,研究了微生物去除加工表面的形成机理。结果表明,纯铜加工表面质量会随着微生物去除加工时间的增加而变差,晶粒粒度会对其微生物加工表面质量产生影响;不同的工件原始表面质量对微生物去除加工初始阶段的表面质量有明显影响;前期机械加工所形成的划痕会随着微生物去除加工而逐渐变小,当机械作用表面被去除后,影响微生物加工表面质量的主要因素是工件的晶界及亚晶界。

Si_(3)N_(4)陶瓷关节轴承内圈外球面磨削研究

为探究氮化硅陶瓷关节轴承内圈外球面精密范成磨削方法,以表面粗糙度为主要评价指标,用立式五轴加工中心进行正交试验,确定各磨削参数对其表面粗糙度的影响顺序;再通过单因素试验探究磨削参数对其表面质量的影响规律,并用粒子群算法对陶瓷关节轴承内圈磨削表面粗糙度进行回归预测,最终获得最佳加工工艺参数。结果表明:砂轮粒度与砂轮进给速度对氮化硅关节轴承内圈外球面磨削表面的粗糙度影响最显著,砂轮线速度次之,工件线速度影响最小;陶瓷轴承内圈外球面表面粗糙度随进给速度的提高而增大,随砂轮线速度、工件线速度的提高先减小后增大。模型的预测值与实际测量值相对误差小于5%,表明该模型的预测效果较好,为实际加工选取磨削参数提供了理论依据。

层厚和模型底角对FDM表面成型质量的影响研究

轮廓表面粗糙度是影响熔融沉积成型(FDM)模型质量的关键因素,为了揭示层厚和模型底角对粗糙度的影响机理和规律,对FDM成型机理、软件切片算法、硬件实际工况进行分析,并构建了数学模型来研究垂直直线型轮廓和倾斜直线型轮廓。根据FDM成型机理,建立数学表达式,采用MATLAB软件进行运算分析,研究了层厚和模型底角两个参数对成型件表面粗糙度的影响规律。为了验证数学模型的有效性,设计二因素三水平正交试验,通过超景深显微镜观察发现,在层厚取最小值,模型底角取最大值时,成型件表面质量最佳。这与仿真结果一致。研究结论为提高表面粗糙度指明了方向,同时也为实际成型件的工艺参数优化提供了理论依据。

涡轮盘榫槽边缘倒圆铣削工艺及其参数优化

涡轮叶片是航空发动机内核心部件之一,涡轮叶片与涡轮盘之间则是由榫槽连接,故涡轮盘榫槽的加工质量对于轮盘失效和寿命来说有着非常重要的影响。目前,工厂通用的数控加工工艺主要采用拉削的方法来加工榫槽,后通过手工打磨榫槽倒圆。这样可能存在表面精度低、一致性差和效率低等问题。文章设计了一款符合榫槽倒圆要求的反环面刀具,采用铣削的方法对涡轮盘榫槽进行倒圆试验,以降低加工表面粗糙度为目标优化铣削参数,为轮盘榫槽边缘倒圆处理研究奠定了基础。

基于NSGA-Ⅲ算法的碳纤维复合材料螺旋铣孔切削参数多目标优化

碳纤维增强复合材料(CFRP)力学性能呈各向异性,层间强度低,为改善CFRP钻孔时中出现的缺陷,螺旋铣孔技术逐渐得到应用。为找到合适的切削参数使得CFRP各项加工性能均达到最优,对CFRP螺旋铣孔切削参数多目标优化方法进行研究。通过螺旋铣试验,测得不同切削参数下的切削力和孔径偏差;使用非线性拟合方法分别建立以径向切削力、轴向切削力、孔径偏差、切削效率为优化目标的多目标优化模型;采用第三代非支配遗传算法(NSGA-Ⅲ)进行多目标优化,获得帕累托最优解;基于主成分分析构建最优切削参数决策算法,完成切削参数解集优劣性能排序,获得满足不同加工性能的最优参数组合。结果显示:NSGA-Ⅲ算法与主成分分析方法的结合可使多目标优化取得良好的效果。

不同刀具倾角下切削参数对TC4表面形貌影响规律研究

针对TC4钛合金曲面零件在精加工时因刀具倾角变化而导致表面形貌质量不稳定的问题,通过在20°,30°,40°,50°四个不同的刀具倾角下进行铣削试验,研究和分析不同刀具倾角下切削速度和每齿进给量对表面粗糙度和表面形貌的影响。结果表明:刀具倾角在20°~50°时,以v c=55m/min的切削速度加工可稳定获得较好的表面质量;除了β=30°的试件表面外,其他试件中个别切削参数组合的加工表面出现垂直于加工刀痕的振动波纹,切削速度较大或每齿进给量较大时更易产生表面振动波纹,且切削速度越大,表面振动波纹频率越高;在试验的刀具倾角范围内,表面粗糙度随着切削速度的增加有减小的趋势,各刀具倾角下的减小程度不同,但当刀具倾角较大时,由于刀具振动加剧,加工表面质量反而下降,表面粗糙度值随着切削速度的增加而增大。

基于DGLCM BO Stacking的工件表面粗糙度检测

表面粗糙度对工件使用性能和寿命有很大影响,为了实现高精度、鲁棒工件表面粗糙度检测,提出基于方向灰度共生矩阵和贝叶斯优化堆叠模型的工件表面粗糙度检测方法。采用互补金属氧化物半导体相机、同轴光源、远心镜头搭建视觉检测系统,采集不同表面粗糙度的工件纹理图像,并对采集到的纹理图像进行数据增强。使用方向灰度共生矩阵提取图像的纹理特征,构建特征描述符。使用经过贝叶斯优化的轻量梯度提升机、极限梯度提升树、随机森林作为基学习器,构建堆叠模型。使用所采集的不同表面粗糙度的纹理图像数据集进行性能试验。试验结果表明,所提出的检测方法在多个性能评价指标上都优于其它方法,具有较高的检测精度和较强的泛化能力,可以有效实现表面粗糙度的高精度、鲁棒检测。

磁流变抛光技术研究进展

表面质量是精密零部件最重要的性能之一,零件的表面质量主要是由加工过程中不同的工艺参数和方法决定的。传统的磨抛工艺由于作用在工件上的力很大、嵌入的磨料颗粒、对工艺的控制有限等原因很难使表面粗糙度降低到精密零部件的要求精度。磁流变抛光(MRF)提供了一种新型高效的方法使工件加工质量达到预期的精度水平。MRF对工艺控制具有更大的灵活性,并且可以在不破坏表面形貌的情况下完成加工。综述了磁流变抛光液组分对加工效果的影响、材料去除模型的建立和发展、不同的MRF加工方式和未来磁流变抛光技术发展的新方向,最后总结了目前MRF技术存在的问题总结,并提出了MRF技术未来可能的发展方向。

刀具刀尖结构对高速硬车削GCr15轴承套圈表面质量的影响研究

高速硬车削是目前实现轴承套圈高效精密加工的关键技术之一。由于轴承套圈具有硬度高、强度大及薄壁等难加工特点,高速硬车削该类材料零件往往存在刀具失效快、表面质量不易保证等难题。为此,以PCBN刀具高速硬车削GCr15薄壁轴承套圈为研究对象,通过单因素基础切削试验探究修光刃宽度和刀尖圆弧半径等刀具刀尖结构对切削力和切削温度的影响,并在此基础上进行正交试验,对比分析刀具刀尖结构和切削速度、进给量等切削用量对已加工表面粗糙度和残余应力的影响,优选工艺参数,从而为高效高质量加工轴承套圈提供关键技术与数据支撑。

基于响应曲面法的TC6铣削加工工艺参数优化及试验研究

针对钛合金TC6铣削加工效率低、刀具磨损严重、零件表面质量低等问题,以工件表面粗糙度为技术指标,基于响应曲面法,对加工后表面粗糙度进行模拟,建立了转速、切深及进给量与表面粗糙度之间的响应模型,分析单因素和交互项对表面粗糙度的影响规律,进而得出零件的质量相关性,通过分析加工预测模型,得出最优的组合,预测最优的参数组合在转速为850 r/min、进给量为233.99 mm/min、切削深度为0.74 mm时,粗糙度值达到0.383μm,同时通过试验进行最优组合的验证,结果表明,试验的实际值与最优组合的预测值之间的平均误差相对0.8%左右,表明数学模型所预测的目标值是可信的。验证了TC6加工表面质量预测值的可靠性,这些参数可为TC6铣削加工中工艺参数的优化以及后续表面质量的提高提供参考。

镍磷合金微沟槽金刚石切削泊松毛刺形成机理

为了探究镍磷合金超精密切削过程中泊松毛刺的形成原因及规律,并且寻求泊松毛刺尺寸更精准的表征方式,本文通过对镍磷合金泊松毛刺的形成机理进行理论分析,建立其正交切削过程中的泊松毛刺高度和宽度预测模型,并通过实验分析切削参数对泊松毛刺高度和宽度的影响,通过实验观察可知,切削深度对毛刺尺寸影响显著,切削深度由3μm增加至9μm时,毛刺高度增加了0.0998μm,毛刺宽度增加了1.06μm,而切削速度对毛刺高度及宽度的影响很小。且通过对比实验得到的毛刺数据和预测数据可知,毛刺高度和宽度预测模型的平均相对误差值分别为5.43%和8.17%,验证了预测模型的准确性。同时目前的泊松毛刺高度和宽度表征方法具有一定的误差,因此本文提出了利用积分法计算泊松毛刺体积的方法,并基于体积法建立了更准确的泊松毛刺尺寸表征方法,通过计算得到体积的预测模型平均相对误差值为4.81%,可知泊松毛刺体积的预测模型准确度相对更高。研究结果为镍磷合金正交切削过程中合理选择切削参数和泊松毛刺尺寸评估方法提供了理论指导。

考虑刀具跳动和非对称磨损的微铣削工件表面形貌模型

刀具跳动与非对称刀具磨损对微铣削工件表面形貌具有显著影响,在充分考虑这一影响因素基础上建立包含刀具跳动和非对称磨损的微铣削工件表面形貌模型,以精准预测微铣削工件表面切削形貌。基于余摆线运动方程研究刀具跳动和非对称性磨损对切屑负载的影响,构建切屑负载模型;根据最小切削厚度和弹性恢复理论,探索切屑负载和刀具磨损对工件底面切削残留高度的作用,并结合切屑负载模型建立包含刀具跳动和非对称磨损的底面切削形貌模型;提出底面形貌模型的三维点云仿真算法。实验结果表明,模型的预测误差在10%~15%,证明该模型能够精准预测微铣削工件底面的切削形貌。

硬质合金刀具皮秒激光加工表面形貌及成分变化研究

聚焦于硬质合金皮秒激光加工表面成分变化特性,研究了不同激光能流密度对硬质合金表面形貌、粗糙度、材料去除特性和化学成分的影响,重点讨论了烧结WC-Co硬质合金在皮秒激光加工前后的表面特性,获得不同能流密度激光与WC-Co材料的作用机制,结果表明,在低能流密度下,激光与WC-Co的作用机制主要是浅表层熔化机制,属于激光抛光,在WC-Co刀具激光加工中可用作精加工工序;在高能流密度下,激光与WC-Co的作用机制主要在材料深度方向稳定去除,在WC-Co刀具激光加工中可用作粗加工工序。本研究为WC-Co刀具的激光加工提供了理论参考和数据支持。

冷却润滑对金属玻璃钻削特征及可加工性的影响研究

金属玻璃钻削高温极易导致光发射、大毛刺和孔烧蚀等严重问题。研究锆基金属玻璃在干切削、冰冻切削和切削油条件下的钻削过程、钻削特征及孔质量,通过对比三种冷却润滑条件下的轴向力动态变化过程、钻削能、刀具磨损以及孔口毛刺,提出适用于金属玻璃钻削加工的工艺方法。研究结果表明:刀具磨损积累与热软化是影响金属玻璃钻孔过程及轴向力动态变化的主要因素;干切削会使孔材料处于过冷液态,导致孔无法成形。金属玻璃入口孔毛刺主要为冠状和无规则扭曲形毛刺;出口孔毛刺主要为冠状毛刺。冰冻切削仅适用于低速钻削金属玻璃;切削油条件下高速钻削金属玻璃可获得最佳孔口质量和最长刀具寿命。